PROVE MECCANICHE SU IMPIANTI DENTALI DI F.M.D. SRL · Politecnico di Milano Dipartimento di...
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Politecnico di Milano Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chi mica “Giulio Natta” Piazza Leonardo da Vinci, 32
20133 Milano - Italy
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Politecnico di Milano Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”
Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche
PROVE MECCANICHE SU IMPIANTI DENTALI DI F.M.D. SRL
Data: 16/03/2016
Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Nat ta” LaBS – Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biolo giche
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PROVE MECCANICHE SU IMPIANTI
DENTALI DI F.M.D.SRL
1. Obiettivo della ricerca
L’obiettivo delle prove meccaniche è quello di determinare sperimentalmente la resistenza
meccanica statica e a fatica di impianti dentali prodotti da F.M.D.SRL
Le prove sono state svolte secondo la procedura descritta nell’articolo “Optimization of implant-
abutment connection in electro-welded implantology: study and mechanical characterization di
Fanali S, Villa T, Fanali D, Carinci F pubblicato su European Journal of Inflammation, 2011, Vol. 9,
I(S), 63-69. ISSN: 1721-727X”.
2. Materiali
2.1 Campioni di prova
Le prove sono state svolte utilizzando le tipologie di impianto descritte in Tabella 1. Esse sono
composte per le prove di compressione statiche e a fatica da un componente endosseo a vite
sommersa di due diversi diametri (3.4 mm e 5.2 mm) e da un moncone inclinato a 25°: i campioni
sono stati forniti con la parte endossea inserita in un foro ricavato in un cilindro di alluminio adatto a
poter essere afferrato nelle ganasce della macchina di prova. La configurazione di prova prevede
di vincolare il campione come illustrato in Figura 1.
Per le prove di torsione statica i campioni sono stati forniti con la parte endossea inserita in un foro
ricavato in un cilindro di alluminio adatto a poter essere afferrato nelle ganasce della macchina di
prova. La configurazione di prova prevede di vincolare il campione come illustrato in Figura 2
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Identificativo LaBS Descrizione del sistema d’impianto Prove eseguite
3.4-1, 3.4-2, 3.4-3,3.4-4 Impianto uniqo NQ Ø 3.4 mm
con moncone angolato 25° Ø 3.4 mm e vite uniqo NQ
statiche
5.2-1,5.2-2,5.2-3,5.2-4 Impianto uniqo NQ Ø 5.2 mm
con moncone angolato 25° Ø 5.2 mm e vite uniqo NQ
statiche
3.4-5, 3.4-6, 3.4-7,3.4-8 Impianto uniqo NQ Ø 3.4 mm
con moncone angolato 25° Ø 3.4 mm e vite uniqo NQ
statiche
5.2-8,5.2-6,5.2-7,5.2-8 Impianto uniqo NQ Ø 5.2 mm
con moncone angolato 25° Ø 5.2 mm e vite uniqo NQ
statiche
3.4-9, 3.4-10, 3.4-11 Impianto uniqo NQ Ø 3.4 mm
con inserto avvitatore torsioni
5.2-8,5.2-6,5.2-7,5.2-8 Impianto uniqo NQ Ø 5.2 mm
con inserto avvitatore torsioni
Tabella 1 – Campioni di prova utilizzati.
Figura 1 – Configurazione di prova a compressione statica e a fatica.
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Figura 2 – Configurazione di prova a torsione statica.
2.2 Apparecchiatura di prova
E' stato utilizzato un sistema di prova MTS 858 Bionix da 25 kN assiali-200 Nm torsionali. Il
sistema di prova MTS Bionix comprende un telaio con un attuatore idraulico assiale da ± 25 kN a
doppio effetto e torsionale da ±200 Nm, un trasduttore di spostamento LVDT con corsa massima
100 mm montato in parallelo all’attuatore per misurarne la corsa e un trasduttore di angolo ADT
con escursione massima di 140°, una cella di carico MTS modello 662.20D-04, in asse
all’attuatore, con scale da 2.5 e 25 kN assiali e 20 e 200 Nm torsionali. La macchina è guidata da
un controllore digitale Test Star 790.01.
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3. Procedura di prova
3.1 Prove di resistenza al carico statico
Criteri
Per le prove di compressione, la sollecitazione più gravosa per l’impianto è quella di flessione, che
nasce quando il carico masticatorio agisce non parallelamente all’asse dell’impianto, ma con una
certa inclinazione. Per riprodurre tale situazione, l’impianto viene montato sulla macchina di prova
con l’asse dell’impianto parallelo alla direzione verticale del carico. In tal senso si ottiene una
situazione di carico gravosa per il sistema impianto-moncone che produce il cedimento meccanico
dell’impianto a causa della flessione di tutto il sistema. Le prove prevedono di applicare un carico
crescente fino al cedimento del sistema.
Attrezzatura di prova
Per la prova di compressione il campione viene inserito in un’attrezzatura in grado di vincolare il
complesso campione-supporto all’afferraggio inferiore della macchina di prova il cui disegno
complessivo è riportato in Figura 3.
Per la prova di torsione l’impianto viene afferrato nelle ganasce inferiori della macchina di prova e il
cacciavite in quelle superiori: un’immagine è riportata in Figura 4.
Figura 3 - Attrezzatura per le prove di compressione.
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Figura 4 - Attrezzatura per le prove di torsione.
Condizioni di prova
La prova di compressione viene condotta comprimendo il campione in controllo di spostamento,
con una velocità di abbassamento dell'attuatore pari a 2 mm/min. La compressione viene arrestata
dopo la rottura del campione. Vengono acquisiti, tramite il software di controllo della macchina di
prova, i valori di spostamento dell'attuatore e di forza misurati dalla cella di carico.
La prova di torsione viene condotta ruotando la testa superiore alla velocità di 20°/min. La torsione
viene arrestata dopo la rottura del campione. Vengono acquisiti, tramite il software di controllo della
macchina di prova, i valori di angolo dell'attuatore e di coppia misurati dalla cella di carico
3.2 Prove di resistenza a fatica
Criteri
Le prove di resistenza alla sollecitazione ciclica (fatica) sono eseguite applicando il carico con la
stessa direzione utilizzata per le prove di compressione statica.
Attrezzatura di prova
L’attrezzatura utilizzata per le prove a fatica è la stessa utilizzata per le prove di compressione
statica (Figura 3).
Il carico segue un andamento periodico di legge sinusoidale con frequenza pari a 10 cicli al
secondo. Considerando i risultati ottenuti nell’articolo “Optimization of implant-abutment connection
in electro-welded implantology: study and mechanical characterization di Fanali S, Villa T, Fanali
D, Carinci F pubblicato su European Journal of Inflammation, 2011, Vol. 9, I(S), 63-69. ISSN:
1721-727X” si è deciso dapprima di testare gli impianti tra 108 e 1080 N ma, raggiunti i cinque
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milioni di cicli sia per il campione di diametro maggiore che per quello di diametro minore, si è
deciso di incrementare il carico su altri tre campioni per tipologia di impianto fino ad un carico
variabile tra 125 e 1250 N.
Le prove vengono eseguite a temperatura ed umidità ambiente; durante il periodo di prova la
temperatura si è mantenuta nell’intervallo 25±2°C e l’umidità nell’intervallo 60±5%.
Condizioni di prova
La prova viene condotta in controllo di forza e poiché nella prova a fatica dei materiali metallici non
ha alcuna influenza la frequenza di prova (conta infatti solo il numero di cicli), si utilizza la
frequenza massima compatibile con le capacità di controllo della macchina (ossia con l'ottenimento
della corretta forma d'onda e dei valori limite di carico imposti). Si imposta il valore zero dello
spostamento dell'attuatore in corrispondenza della posizione in cui vi è contatto fra il piano di carico
superiore ed il tampone che interfaccia la parte superiore dell’impianto. Viene impostato un valore
limite per lo spostamento, pari a 0.5 mm. Se tale valore viene superato, fatto che indica l’avvenuta
rottura dell’impianto, la macchina arresta automaticamente la prova bloccando la posizione
dell'attuatore e viene registrato il numero di cicli alla rottura.
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4. Risultati delle prove
4.1 Prove di resistenza a carico statico
La Tabella 2 riporta i valori registrati durante le prove di compressione per i diversi campioni,
mentre i grafici sono allegati in coda alla relazione (Figure 5 e 6). I due gruppi confrontati attraverso
un test di Student risultano statisticamente differenti sia per quanto riguarda il carico di
snervamento (p< 0.001) che quello a rottura (p<0.001).
La Tabella 3 riporta i valori registrati durante le prove di compressione a fatica per i diversi
campion. I due gruppi confrontati attraverso un test di Student risultano statisticamente differenti
per quanto riguarda il numero di cicli a rottura (p<0.01).
La Tabella 4 riporta i valori registrati durante le prove di torsione per i diversi campioni, mentre i
grafici sono allegati in coda alla relazione (Figure 7 e 8). I due gruppi confrontati attraverso un test
di Student non risultano statisticamente differenti per quanto riguarda la coppia massima (p>0.05).
Identificativo LaBS Carico Snervamento [N] Carico Massimo [N] Figura
3.4-1 1025 2265 5 3.4-2 970 2380 5 3.4-3 905 2359 5 3.4-4 950 2346 5
media 962.5 2337.50 dev.std 49.75 50.32
5.2-1 1170 1316 6 5.2-2 1133 1140 6 5.2-3 1214 1360 6 5.2-4 1198 1273 6
media 1178.75 1272.25 dev.std 35.50 95.05
Tabella 2: Risultati delle prove statiche di compressione.
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Identificativo LaBS Carico appilcato [N] Cicli a rottura
3.4-5 108-1080 >5.000.000 3.4-6 125-1250 395.935 3.4-7 125-1250 79.085 3.4-8 125-1250 78.257
media 1449297.67 dev.std 971537.20
5.2-5 108-1080 >5.000.000 5.2-6 125-1250 467.704 5.2-7 125-1250 1.469.733 5.2-8 125-1250 2.410.456
media 184425.67 dev.std 183172.92
Tabella 3: Risultati delle prove a fatica.
Identificativo LaBS Coppia Massima [Ncm] Figura
3.4-9 257 7 3.4-10 200 7 3.4-11 173 7 media 210
dev.std 42.89
5.2-9 237 8 5.2-10 251 8 5.2-11 241 8 media 243
dev.std 7.21
Tabella 4: Risultati delle prove statiche di torsione.
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